Устройство для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи

 

Изобретение относится к технике связи . Цель изобретения - повышение точности локализации неисправностей. Устр-во содержит оптическое волокно I, лавинный фотодиод 2, резистор 3, усилители 4 и 10, детекторы 5, 17, 19, 20 и 22, усилитель 6 смещения , датчик 7 температуры, полосовые фильтры 8, 15, 16 и I8, предварительный усилитель 9, выпрямительный блок II, переменные резисторы 12, 28, 30 и 31, компараторы 13, 29, 36 и 37, согласующий эл-т 14, интеграторы 21, 23, 24 и 25, измерители 26 и 27 отношения, сумматоры 32 и 33 и эл-ты И 34 и 35. Данное выполнение устр-ва позволяет с высокой точностью локализовать неисправность, связанную с изменением параметров излучения лазерного диода, входящего в состав оптического передатчика, а также неисправности, вызванные обрывом оптического волокна 1, выходом из строя лавинного фотодиода 2 и усилителя 4. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (50 4 Н 04 В 3/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

l10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2! ) 4275956/24-09 (22) 03.07.87 (46) 23.03.89. Бюл. № 11 (72) С. В. Хорошев и А. В. Яковлев (53) 621.396.664 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 879789, кл. Н 04 В 3/46, 1980.

Заявка Франции № 2475826, кл. Н 04 В 9/00, Н 04 В 3/46, опублик. 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИФРОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ (57) Изобретение относится к технике связи. Цель изобретения — повышение точности локализации неисправностей. Устр-во содержит оптическое волокно 1, лавинный фотоÄÄSUÄÄ 1467767 А 1 диод 2, резистор 3, усилители 4 и 10, детекторы 5, 17, 19, 20 и 22, усилитель 6 смещения, датчик 7 температуры, полосовые фильтры 8, 15, 16 и 18, предварительный усилитель 9, выпрямительный блок 11, переменные резисторы 12, 28, 30 и 31, компараторы 13, 29, 36 и 37, согласующий эл-т 14, интеграторы 21, 23, 24 и 25, измерители 26 и

27 отношения, сумматоры 32 и ЗЗ и эл-ты

И 34 и 35. Данное выполнение устр-ва позволяет с высокой точностью локализовать неисправность, связанную с изменением параметров излучения лазерного диода, входящего в состав оптического передатчика, а также неисправности, вызванные обрывом оптического волокна 1, выходом из строя лавинного фотодиода 2 и усилителя 4. 3 ил.

1467767

ЗО

1

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано для локализации неисправностей в основных функциональных узлах цифровых волоконно-оптических систем передачи (ЦВОСП): оптическом передатчике, оптическом волокне и фотоприемнике.

Цель изобретения — повышение точности локализации неисправностей.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи; на фиг. 2 и 3 — диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи содержит оптически связанный с оптическим волокном 1 лавинный фотодиод 2, резистор 3, первый усилитель 4, детектор 5, усилитель 6 смещения, датчик 7 температуры, первый полосовой фильтр 8, предварительный усилитель 9, второй усилитель 10, выпрямительный блок 11, первый переменный резистор 12, первый компаратор 13, согласующий элемент 14, второй 15 и третий 16 полосовые фильтры, второй детектор 17, четвертый полосовой фильтр 18, третий 19 и четвертый 20 детекторы, третий интегратор 21, пятый детектор 22, первый 23, второй 24 и четвертый 25 интеграторы, первый 26 и второй 27 измерители отношения, второй переменный резистор 28, второй компаратор 29, третий 30 и четвертый 31 переменные резисторы, первый 32 и второй 33 сумматоры, первый 34 и второй 35 элементы И, третий 36 и четвертый 37 компараторы.

Устройство работает следующим образом.

При нормальном функционировании системы передачи подающийся на чувствительную поверхность лавинного фотодиода 2 цифровой оптический сигнал преобразуется в последовательность электрических импульсов, которые усиливаются первым усилителем 4 до уровня, при котором возможна их дальнейшая обработка. Система АРУ, включающая в себя детектор 5 и усилитель 6 смещения, поддерживает постоянным средний уровень сигнала на первом выходе устройства. Согласующий элемент 4 предназначен для развязки первого выхода устройства и подключенных к нему полосовых фильтров 8, 15, 16 и 18 и выполнен в виде усилителя. С выхода согласующего элемента 14 импульсный код, энергетический спектр которого показан на фиг. 2а, поступает на последовательно соединенные полосовой фильтр 8, предварительный усилитель 9 и второй усилитель 10 и выпрямительный блок 11. Полосовой фильтр 8 настроен на частоту fi (фиг. 2), на которой энергия линейного сигнала является максимальной. Предварительный 9 и второй 10 усилители осуществляют усиление сигнала, а выпрямительный блок 11, выполненный по

2 схеме, аналогичной схеме детектора 5, выделяет из сигнала постоянное напряжение

Uo, пропорциональное энергии сигнала (фиг. 2а) на частоте fi. Одновременно с этим импульсный сигнал, энергетический спектр которого показан на фиг. 2а, поступает на последовательно соединенные полосовой фильтр 15, детектор 19, интегратор 23, а также на последовательно соединенные полосовой фильтр 16, детектор 20 и интегратор 24. Полосовые фильтры 15 и 16, построенные по схеме, аналогичной схеме полосового фильтра 8, настроены на частоты fi и f соответственно (фиг. 2). Как видно из фиг. 2, на частоте fi энергия сигнала является максимальной, а на частоте 4 она бл из ка к нул ю.

Детекторы 19 и 20 осуществляют выпрямление входных сигналов, а интеграторы 23 и 24 выделяют из входного сигнала постоянное напряжение, причем на выходе интегратора 23 напряжение, пропорциональное энергии сигнала (фиг. 2а) на частоте fi, а на выходе интегратора 24 напряжение, пропорциональное энергии сигнала на частоте fПостоянные напряжения с выходов интеграторов 23 (U ) и 24 (14) поступают на входы первого измерителя 26 отношения. При нормальном функционировании системы передачи отношение энергии сигнала на частоте f к энергии сигнала на частоте 4, а следоUi вгтельно, и отношение — составляет десят1- -1 2 ки и даже сотни единиц. Таким образом, на выходе измерителя 26 отношения имеется

U„ напряжение, равное —.

11

При обрыве оптического волокна на выходе первого усилителя 4 появляется шум, определенный в основном темновым током лавинного фотодиода 2, а также тепловым и собственным шумами усилителя 4. Вследствие работы системы АРУ, состоящей из детектора 5 и усилителя 6 смещения, система лавинный фотодиод 2 — первый усилитель 4 приобретает максимальный коэффициент усиления, что приводит к значительному увеличению амплитуды шумов. Таким образом, на выходе согласующего элемента 14 имеется шум, энергетический спектр которого показан на фиг. 2б. Последовательно соединенные полосовой фильтр 8, предварительный усилитель 9 и второй усилитель 10 и выпрямительный блок 11 выполняют те же функции, что и при нормальной работе системы передачи, однако выпрямительный блок 11 выделяет из сигнала постоянное напряжение 14, пропорциональное энергии шума (фиг. 2б) на частоте fi, Неизменной остается и работа полосовых фильтров 15 и 16, детекторов 19 и 20, интеграторов 23 и 24 и измерителя 26 отношения. Но при обрыве оптического волокна на выходе интегра1467767

3 тора 23 имеется напряжение U4, пропорциональное энергии шума (фиг. 2б) на частоте fi, а на выходе интегратора 24 — напряжение U5, пропорциональное энергии шума на частоте 4. Как видно из фиг. 2, при обрыве оптического волокна энергия шума на частоте f приблизительно равна энергии шума на частоте f2, а следовательно и отно1-! 4 шение — приблизительно равно единице.

1-1 5

В случае выхода из строя таких блоков, как лавинный фотодиод 2 и (или) первый усилитель 4, на первом выходе устройства также появляется шум, но он в данном случае определен лишь тепловыми и собственными шумами усилителя 4. Вследствие того, то при данном виде неисправности в состав шумов на первом выходе устройства не входят шумы, определяемые темновым током лавинного фотодиода 2 (что имеет место при обрыве оптического волокна), а также вследствие неэффективной работы системы АРУ амплитуда шума значительно снижается.

Таким образом, на выходе согласующего элемента 14 энергетический спектр шума приобретает вид прямой, показанной на фиг. 2в. Далее блоки устройства работают по описанному алгоритму. Отличие заключается в том, что выпрямительный блок 1 выделяет из сигнала постоянное напряжение U8, пропорциональное энергии шума (фиг. 2в) на частоте fi. Кроме того, при данной неисправности на выходе интегратора 23 выделяется напряжение U7, пропорциональное энергии шума (фиг. 2в) на частоте f, а на выходе интегратора 24 — напряжение U8, пропорциональное энергии шума на частоте f2. Как видно из фиг. 2, при выходе из строя лавинного фотод 4ода 2 и (или) первого усилителя 4 энергия шума на частоте fi (фиг. 2в) приблизительно равна энергии шума на частоте f, а следовательно, и атно

Uy шение —, измеренное измерителем 26 отно1-1 8 шенпя, приблизительно равно единице.

Из изложенного следует, что на выходе выпрямительного блока 11 при нормальном функционировании системы передачи, при обрыве оптического волокна 1, при выходе из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4 имеются постоянные напряжения 14, U8, 14 соответственно, причем различие между Ue, Ua, U8, определенное алгоритмом работы устройства, является довольно существенным. На выходе измерителя 26 при нормальном функционировании системы величина напряжения, определяеU, мая отношением —, может составлять десят1-1 2 ки и даже сотни единиц, а при любой неисправности (обрыв оптического волокна 1, выход из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4) напряжение, определенное отU4 U2 ношением — или —, приблизительно равно

1-1 5 U8 единице.

С выхода измерителя 26 постоянное напряжение поступает на первый вход компаратора 13, на второй вход которого с переменного резистора подается опорное напряжение несколько большее, чем напряжение

1-14 U7 — и —. При появлении в устроистве ка10 U5 кой-либо неисправности напряжение на первом входе компаратора 13 становится ниже порогового, при этом на его выходе формируется логическая единица. Одновременно

15 с этим с выхода выпрямительного блока 11 постоянное напряжение поступает на первые входы компараторов 36 и 37, на вторые входы которых подаются опорные напряжения. Формирование опорного напряжения для компаратора 36 осуществляется

gp с помощью датчика 7 температуры, выполненного в виде термопары, переменного резистора 30, сумматора 32. С помощью переменного резистора 30 на втором входе компаратора 36 устанавливается опорное напряжение несколько больше, чем Б8. Формирование опорного напряжения для компаратора 37 осуществляется с помощью датчика 7, переменного резистора 31 и сумматора 33. С помощью переменного резистора 31 на втором входе компаратора 37 устанав30 ливается опорное напряжение несколько больше, чем напряжение 14. Таким образом, при нормальном функционировании системы передачи напряжение на первых входах компараторов 14 больше, чем опорные напряжения на их вторых входах. Это приз водит к формированию на их выходах логических нолей. При возникновении такого рода неисправности, как обрыв оптического волокна, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины U8. Напряжение на первом входе компа40 ратора 36 становится меньше, чем пороговое, и на его выходе формируется логическая единица, напряжение на первом входе компаратора 37 остается больше, чем пороговое — на его выходе логическая единица.

В случае выхода из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4 напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 уменьшается до величины U8. Следовательно, напряжение на первых входах компараторов 36 и 37 становится меньше установленных для них пороговых напряжений, что приводит к формированию на выходах компараторов логических единиц.

Таким образом, в случае нормального функционирования системы передачи с выхода компаратора 13 на первые входы элементов И 34 и 35 поступает логический ноль, на вторые входы их с выходов компараторов 36 и 37 также поступают логические ноли. При этом на выходах 3 и 4 уст1467767 ройства формируются логические ноли. В случае обрыва оптического волокна на выходе компаратора 13 — логическая единица, на выходе компаратора 36 — также логическая единица, на выходе компаратора 37 — логический ноль, это ведет к появлению на выходе 3 устройства логической единицы, а на выходе 4 устройства — логического ноля.

При появлении неисправностей, связанных с выходом из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4, на выходах компараторов 13, 36 и 37 — логические единицы, что ведет к формированию в свою очередь на выходах 3 и 4 устройства логических единиц.

Таким образом, с помощью описанного алгоритма удается высокоэффективно, с высокой точностью разделять нормальное функционирование системы передачи, неисправность, вызванную обрывом оптического волокна, и неисправность, вызванную выходом из строя лавинного фотодиода 2 и (или) усилителя 4. Использование в данном устройстве принципа локализации неисправностей по двум признакам (с последующим сопоставлением их на схеме И) позволяет значительно повысить точность разделения различных типов неисправностей. Кроме того, введение в устройство термокомпенсирующих элементов позволяет избавить устройство от воздействия изменения температуры. Под действием изменения температуры окружающей среды темновой т<>к фотодиода 2, а также шумы усилителя 4 могут изменяться в широких пределах, что, соответственно, приводит к изменению напряжений Vg и Ug в случае возникновения неисправностей. Введение датчика 7, в состав которого входит масштабный усилитель, позволяет одновременно с изменением Ug u Uq изменять опорные напряжения на компараторах 36 и 37, что устраняет пропуски и ложные срабатывания, связанные с изменением температуры.

В одномодовых системах передачи возможны изменения параметров излучения лазерного диода, входящего в состав одномодового оптического передатчика. Изменение параметров излучения лазерного диода влечет за собой увеличение уровня шумов разделения мод, которые выражаются во флуктуациях временного положения и формы оптических импульсов на выходе одномодового оптического волокна. Флуктуации временного положения и формы оптических импульсов снижают помехоустойчивость приема информационных посылок, а при достижении флуктуаций определенного уровня прием информационного сигнала с заданной достоверностью становится невозможным, что расценивается как неисправность системы передачи. Локализация данного типа неисправности осуществляется с помощью детектора 17, интегратора 21, последовательно включенных полосового фильтра 18, детектора 22, интегратора 25, измерителя 27

В случае изменения параметров излучения лазерного диода на выходе согласующего элемента 14 имеются флуктуации временного положения импульсов линейного кода. Данные флуктуации показаны на фиг. Зв, где импульсы могут менять свое временное положение в диапазоне от 2 до 3. При этом энергия линейного сигнала практически не изменяется, т. е. постоянное напряЗ0 жение на выходе интегратора 21 U 1419.

Флуктуирующие импульсы линейного кода (фиг. Зв) поступают на полосовой фильтр 18, настроенный на тактовую частоту. Это приводит к уменьшению амплитуды гармонического сигнала (фиг. Зг) на выходе полосово5 го фильтра 18, причем, чем больше временные флуктуации импульсов линейного сигна-. ла, тем меньше энергия сигнала вблизи тактовой частоты. Детектор 22 и интегратор 25 выделяют из тактовой частоты (фиг. Зг) напряжение постоянной составляющей Uig, 40 величина которого пропорциональна энергии тактовой, частоты. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется на45 устанавливаемое с помощью переменного

5р резистора 28. На первый вход компаратора 29 подается постоянное напряжение с выхода измерителя 27 отношения. При нормальном функционировании ЦВОСП на nepUg вом входе компаратора напряжение †. . в

Г случае возникновения неисправности, связанной с изменением параметров излучения лазерного диода, напряжение увеличивается

6 отношения и компаратора 29. При нормальном функционировании системы передачи линейный сигнал, возможная реализация которого показана на фиг. 3а, поступает на входы детектора 17 и полосового фильтра 18. Последовательно включенные детектор 17 и интегратор 21 выделяют из линейного сигнала (фиг. 3a) постоянное напряжение Ug, пропорциональное полной энергии линейного сигнала. Полосовой фильтр 18 настроен на тактовую частоту линейного сигнала f и выделяет из него гармонический сигнал, представленный на фиг. 36 Детектор 22 и интегратор 25 выделяют из тактовой частоты (фиг. 36) постоянную составляющую Ug, величина которой пропорциональна энергии сигнала на тактовой частоте. При этом на выходе измерителя 27 отношения имеется напряжение, равное отношению полной энергии сигнала к энергии

Ug на тактовой частоте

U10

U„ пряжение, равное отношению — . На вто1-1! 2 рой вход компаратора 29 подается опорное

U!i напряжение несколько меньшее, чем

1467767

Формула изобретения

Ют Уг

U„„ до величины —, что и фиксируется комU12 паратором. При этом на выходе компаратора формируется логическая единица. Таким образом, удается высокоэффективно, с высокой точностью локализовать неисправность, связанную с изменением параметров излучения лазерного диода.

Устройство для контроля цифровых волоконно-оптических систем передачи, содержащее резистор, один вывод которого соединен с общей шиной, а другой вывод — с анодом лавинного фотодиода, последовательно соединенные первый усилитель, выход которого является первым выходом устройства, детектор и усилитель смещения, выход которого соединен с катодом лавинного фотодиода, а вход первого усилителя соединен с анодом лавинного фотодиода, оптический вход которого является оптическим входом устройства, первый переменный резистор, один вывод которого соединен с общей шиной, а другой вывод соединен с источником питания, первый компаратор, первый вход которого соединен со средним выводом первого переменного резистора, последовательно соединенные согласующий элемент, вход которого соединен с выходом первого усилителя, первый полосовой фильтр, предварительный усилитель, второй усилитель и выпрямительный блок, отличаюи1ееся тем, что, с целью повышения точности локализации неисправностей, введены последовательно соединенные второй полосовой фильтр, третий детектор, первый интегратор и первый измеритель отношения, выход которого соединен с вторым входом первого компаратора, последовательно соединенные третий полосовой фильтр, четвертый детектор и второй интегратор, выход

5 которого соединен с вторым входом первого. измерителя отношения, последовательно соединенные второй детектор, третий интегратор, второй измеритель отношения и второй компаратор, выход которого является вторым выходом устройства, последовательно соеди10 ненные четвертый полосовой фильтр, пятый детектор и четвертый интегратор, выход которого соединен с вторым входом второго измерителя отношения, последовательно соединенные первый сумматор, третий компаратор и первый элемент И, выход которого является третьим выходом устройства, последовательно соединенные второй сумматор, четвертый компаратор, второй элемент И, выход которого является четвертым выходом устройства, а второй вход соединен с вторым

2О входом первого элемента И и с выходом первого компаратора, датчик температуры, вход которого соединен с корпусом устройства, а выход соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, второй, третий и четвертый переменные резисторы, од2 ни выводы которых соединены с общей шиной, другие выводы соединены с источником питания, а средние выводы соединены соответственно с вторыми входами второго компаратора, первого сумматора и второго сумматора, при этом второй вход третьего компаратора соединен с вторым входом четвертого компаратора и с выходом выпрямительного блока, выход согласующего элемента соединен с входами второго, третьего и четвертого полосовых фил ьтров и второго детектора.

1467767

Составитель A. Сеселкин

Редактор И. Шмакова Техред И. Верес Корректор Л. Пилипенко

Заказ 1214 55 Тираж 627 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101